科學家怎么證明暗物質存在？

戴夫·戈德伯格　劉璐

怎么解釋“我們所看到的宇宙必須有暗物質和暗能量”？暗物質和暗能量是觀測誤差嗎？目前已觀測到的宇宙現(xiàn)象，必須要通過暗物質和暗能量才能解釋嗎？這個觀點是否已經(jīng)被科學家廣泛接受？

在討論暗物質以前，我寫過幾篇這方面的文章，幾乎總能收到某種反饋，指責物理學家懶惰、頑固，甚至在學術上不誠實。對某些人來說，暗物質似乎像物理學家的胡言亂語，用來掩飾他們對宇宙一無所知的事實。

我們回顧一下，在20世紀20年代，天文學家弗里茨·茲威基發(fā)現(xiàn)星系成團成簇地高速轉動，除非有大量非恒星及非氣體形式的物質存在，否則這些團簇用不了多長時間就會四散而去。20世紀70年代，維拉·魯本在單個星系中發(fā)現(xiàn)了同樣的情況。據(jù)粗略估計，宇宙中95%的物質都是不為我們所知的東西。

將宇宙萬物細分開來，普通物質占5%，暗物質占25%，其余70%是暗能量。

現(xiàn)在我還不想從暗能量開始講，因為盡管暗能量對宇宙膨脹有加速作用，但如果你不理解暗物質，就很難弄明白暗能量。不是我們不大了解暗物質的起源，只是那個“自然”值（基于真空能量所做的合理假設得出）是我們實際觀察到的密度的10倍至100倍。在我看來，這絕對是物理學界最大的問題。

對暗物質高度肯定的所有知識都已在名稱上表現(xiàn)出來。它不帶任何電荷（光與帶電粒子有強烈的相互作用，所以很容易看到），不是由原子構成的，因為原子也比較容易看到。有些人對暗物質如此不屑，是因為他們只看到那些老掉牙到暗物質粒子；②我們實際上不清楚暗物質是什么。

可是，我們有許多理由相信暗物質的存在，因為星系一旦離開暗物質將會分崩離析。下面是三個很好的理由。

一、引力透鏡

光線穿過大質量物體時會發(fā)生彎曲，因此我們可以利用背景星系的扭曲圖像繪制宇宙質量圖。我們對數(shù)個超大質量的星系團進行了透鏡重建并且發(fā)現(xiàn)了許多額外質量，但是只有一個系統(tǒng)備受媒體關注。著名的子彈星系團是兩個星系團碰撞的產(chǎn)物，圖像頂部是碰撞的區(qū)域（下圖中紅色部分）。圖片上的藍色表示引力透鏡中顯示的質量所在的位置。無論這些質量由什么組成，都不可能是氣體或恒星。這是迄今最接近“看到”的暗物質的圖像。

在暗物質研究中，透鏡重建具有雙重功能，我們還可以利用它在銀河系里尋找暗星（或許還有黑洞）。只要有一個暗星或黑洞在更遙遠的恒星面前經(jīng)過，這顆恒星便會被放大。這種想法聽上去很酷，但是我們現(xiàn)在可以肯定地說，銀河系（可能還有其他星系）里存在的黑洞不夠多，不能解決暗物質的問題。

二、大爆炸

即使你相信宇宙中存在未被觀測到的質量，也不意味著暗物質有什么特別奇異之處，它可能就是普通物質，只是不知何故我們看不見而已。我們很清楚宇宙大爆炸過程中氫元素是如何產(chǎn)生的。事實上，化學非常簡單，真正能夠套入的數(shù)字只有宇宙中原子質量的密度。例如，如果宇宙中的所有物質都很普通，那么我們看到的氘只有實際的1/1000。

三、歷史先例

事實上我們還從來沒有看見過暗物質粒子，如果因此而止步那就不應該了。1920年，盧瑟福預言了中子（也是一種中性粒子，因此很難檢測到）的存在，過了12年中子才被發(fā)現(xiàn)。狄拉克預言反物質的存在，比第一次檢測到早了27年。1930年，泡利預言了中微子的存在，26年后中微子才被發(fā)現(xiàn)。我們有很好的追蹤記錄，所以能夠在看到某些物質之前推測到它們的存在；我們有好的理論，所以如果大型強子對撞機或其他實驗設備探測到“最輕超對稱粒子”，那也是意料中的事；如果最終證明是其他什么，我們同樣不會感到驚訝。

這還不是全部。如果在我們的宇宙圖像中加入暗物質，就能非常完美地解釋一切，包括宇宙微波背景中分布的熱暗斑塊以及宇宙的年齡、星系的演變和結構。如果沒有暗物質，這一切都解釋不通。

不過仍然有人可能會問，修正了的牛頓動力學能解釋暗物質的必要性嗎？從根本上說，這是在問如果愛因斯坦錯了怎么辦。當然，愛因斯坦可能會錯。如果是這樣的話，我們的一兩個論點會有點麻煩，但不影響其他。但是牛頓動力學有一個非常大的障礙要克服：它必須能夠解釋相對論。無論到哪天，我都把寶押在暗物質和廣義相對論上。